Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi Cilt:XXII, Sayı:3, 2009 Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, Vol: XXII, No:3, 2009 Makalenin Geliş Tarihi : 26.04.2009 Makalenin Kabul Tarihi : 25.09.2009 FIRINLARIN İLAVE YALITIMLA ENERJİ TÜKETİMLERİNİN AZALTILMASI Ümran ERÇETİN 1 ÖZET: Enerji maliyetleri, fabrikaların üretim tipine bağlı olarak üretim maliyetlerinin büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Seramik ve porselen sektöründe de, proses içindeki yoğun kurutma ve pişirme işlemlerinden dolayı, oldukça yoğun enerji tüketimi söz konusudur. Bu çalışmada, bir porselen fabrikasının sır ve bisküvi fırınlarındaki enerji tasarrufları ve enerjinin geri kazanılabilirliği araştırılmıştır. Bu amaçla sır ve bisküvi fırınlarının yüzey sıcaklıkları ve fırın yüzeylerinden kaybolan ısı miktarı tespit edilip, ilave yalıtım malzemesi uygulandığında sağlanabilecek enerji tasarrufu miktarı hesaplanmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Doğal taşınım, yalıtım, fırın, enerji tasarrufu. REDUCING OF THE ENERGY CONSUMPTIONS OF THE FURNACES BY ADDITIONAL INSULATION ABSTRACT: Energy has a great percentage in the production costs according to variety of production type. Because of intensive drying and aging operations, there is a lot of energy consumption in the ceramic and porcelain industries. In this study, energy saving in silvering and biscuit furnaces of a porcelain factory and recycling of the saved energy have been investigated. For this purpose, the surface temperatures of silvering and biscuits furnaces have been measured and heat rate transferred through furnace surfaces has been determined. Energy saving rate has been investigated by adding an additional insulation material to the furnace surfaces. KEYWORDS: Natural convection, insulation, furnace, energy saving. 1 Dumlupınar Üniversitesi, Mühendislik-Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, KÜTAHYA
102 Ümran ERÇETİN I. GİRİŞ Bir fabrikadaki üretim maliyetleri; hammadde, işçilik, işletme ve enerji maliyetlerinden oluşur. Enerji maliyetleri incelendiğinde; metal sanayi başta olmak üzere taş ve toprağa dayalı sanayi, kimya, petrol, kömür, kauçuk ve plastik sanayinde enerji maliyetleri en yüksektir. Araştırmalara göre sektörlerin enerji tüketim yüzdeleri sırasıyla, metal sanayisinde %35, taş ve toprak sanayisinde %22, kimya, petrol ve plastik ürünleri sanayilerinde %19, gıda, içki ve tütün sanayilerinde %9, dokuma, giyim eşyası ve deri sanayilerinde %8 ve diğerlerinde de %7 dir [1]. Enerji kaynaklarının gün geçtikçe azalması ve enerji kullanım fiyatlarının da sürekli artması, fabrikaları, enerjinin nasıl daha verimli kullanılabileceğine dair çalışmalara yöneltmiştir. Enerji tasarruf yöntemleri uygulayan fabrikalar, bu sayede ürettikleri ürünlerini eskisine göre daha ucuza mal edebilmektedirler. Böylece, aynı üretimi yapan fabrikalar arasında enerji tasarruf yöntemlerini uygulayan fabrikaların rekabet gücü artmaktadır. Enerji tasarrufu için yapılacak prosesler veya uygulanabilecek yöntemler düşük maliyetli olabileceği gibi büyük değerlere de çıkabilir. Ancak bu prosesler kendi yatırım maliyetlerini kısa zamanda geri ödeyebilmektedir [1]. II. MATERYAL VE YÖNTEM Seramik sektöründeki fabrikalar arasında yapılan bir değerlendirmede, yakıt tüketimlerinin % 55 inin pişirme fırınlarında, % 40 ının ise kurutma fırınlarında tüketildiği, fırınlardan çıkan en büyük ısının baca gazı ve soğutma havası ile gerçekleştiği tespit edilmiştir [1]. Bu amaçla bir porselen fabrikasının ön kurutma, bisküvi ve sır fırınlarının baca ve fırın yüzeylerinden olan kayıpları incelenmiş olup, burada sadece fırın yüzeylerinden kaybedilen enerji miktarları verilmiştir. Hesaplamalarda her modülünün (fırının bölümleri) 12 farklı noktasından yüzey sıcaklıkları ölçülerek ortalama bir yüzey sıcaklığı kabulü yapılmış ve ölçümler yaz aylarında yapıldığı için ortam sıcaklığı da 27 o C kabul edilerek, doğal taşınım durumunda ilgili bağıntılar kullanılarak, her modülü 2 m genişliğinde ve 1,5 m yüksekliğinde olan sır ve bisküvi fırınlarının modüllerinin dikey yan yüzeylerinden kaybedilen enerji miktarları hesaplanmıştır.
Fırınların İlave Yalıtımla Enerji Tüketimlerinin Azaltılması 103 Daha sonra mevcut durumdaki yapıya ilave olarak yapılan 0,7 mm lik sac kaplı 3 cm lik cam yünü levhalı yalıtım ile fırın yüzeyinin kaplanması durumunda, sabit taşınım katsayısı ve ortam sıcaklığı kabulü yapılarak, ortama kaybedilecek enerji miktarı yeniden hesaplanarak ilk duruma göre tasarruf edilebilecek enerji miktarları bulunmuştur. Ön kurutma fırınının yüzey sıcaklıkları ortam sıcaklığına yakın olduğundan dolayı bu fırın için herhangi bir enerji kaybı hesabı yapılmamıştır. II.1. Ön Kurutma Fırınının İncelenmesi Şekillenen mamüller bisküvi arabalarına yüklenmek suretiyle ön kurutma fırınına gönderilir. Bu fırının girişindeki sıcaklık 45 o C dir ve bu sıcaklık fırın sonuna kadar kademeli olarak 115 o C ye çıkarılmaktadır. Ön kurutma fırını için gereken ısı, bisküvi fırınının ısı gruplarından fan vasıtasıyla çekilen sıcak havanın, çeşitli noktalardan bu fırına verilmesiyle sağlanmaktadır. Böylece şekillendirilmiş ürünlerin nem miktarlarının ön kurutma sonunda % 1 in altına düşürülmesi gerçekleştirilmektedir. Ürünlerin çok nemli olması ve kurutma sıcaklığının yeterli gelmemesi durumuna karşı, ön kurutma bölümündeki 1 adet brülör yardımıyla, bu bölümün sıcaklığı 160 o C ye kadar çıkarılabilmektedir. II.2. Bisküvi Fırınının İncelenmesi Şekillendirilmiş, kurutulmuş ancak henüz sırlanmamış seramik ürünlere bisküvi denir. Ön kurutmadan çıkan bisküviler pişirim için bisküvi fırınına girer. Pişirme fırınının giriş sıcaklığı ortalama 100 o C den başlamakta ve 6 metre boyunca kademeli olarak yükseltilmektedir. Bu sıcaklık artışı, bisküvi fırınının emiş bacalarından fan yardımıyla emilen sıcak gazın bu bölüme aktarılmasıyla elde edilmektedir. Emiş bacaları, pişirme fırınına giren mamüllerin bünyesinde düşük sıcaklıkta yanabilir maddelerin yanmasıyla oluşan gazların dışarı atılmasını sağlamaktadır. Emiş bacalarından çıkan ve geri kazanılmayan sıcak gazlar ise daha sonra ana bacada toplanarak atmosfere verilmektedir. Fırının ilk kısımlarında geri kazanım ile artırılan sıcaklıklar, ısı gruplarına gelindiğinde brülörler vasıtasıyla gaz ve havanın belirli oranlarla karıştırılarak yakılmasıyla düzenli bir şekilde yükseltilerek, fırının ilk ısı grubunda 350-400 o C ye, 2. grupta 550 o C ye, 3. grupta ise 800 o C ye ve 4. grupta 970 o C ye çıkartılır.
104 Ümran ERÇETİN Son ısı bölgesinden çıktıktan sonra tamamen pişmiş olan ürün, soğutma bölgesine girer. Bu sırada fırın sıcaklığı, soğutma bölgesinden kademeli olarak bacalar vasıtasıyla çekilen ısı sayesinde fırın çıkışında 100 o C ye kadar düşürülür. Soğutma bacaları tarafından geri kazanılan bu ısı ön kurutma fırınına verilerek yeni giren şekillenmiş, nemli ürünlerin neminin alınmasında kullanılmaktadır. Aşağıda bisküvi fırının teknik özellikleri verilmekte ve modülleri Şekil 1 de gösterilmektedir. Uzunluk : 74 m Kullanılabilir genişlik : 2,44 m Kullanılabilir yükseklik : 0,5 m Araba uzunluğu : 1,45 m Kullanılabilir araba uzunluğu : 1,40 m Kullanılabilir araba genişliği : 2,44 m Fırın içindeki araba sayısı : 51 adet Çalışan toplam araba sayısı : 150 adet Fırının çıkabileceği maks. sıcaklık : 1100 o C Kullanılan yakıt : LPG Yakıtın ısıl değeri : 46000 kj/kg Brülör sayısı : 56 adet Isı grup sayısı : 4 adet Fırına bağlı elektrik yükü : 200 kw Fırına bağlı yakıt yükü : 2789 kw veya 2400000 kcal/h İşletme sıcaklığı : 970 o C 1 araba yükü : 58,75 kg 1 kg ürün başına tüketilen enerji : 1700 kcal/kg Kullanılan brülörler : RGB 40, 250 m 3 /h hava, 9 m 3 /h gaz, 60 mbar
Fırınların İlave Yalıtımla Enerji Tüketimlerinin Azaltılması 105 Ürün giriş Ürün çıkış 4. modül 5. modül...19. modül L=74 m Şekil 1. Bisküvi fırının görünüşü. II.3. Sır Fırınının İncelenmesi Sır, seramik malzemenin ya doğrudan doğruya yüksek sıcaklıkta kendisinin camlaşması ya da seramik malzeme üzerine sürülen metal oksitlerin, seramik malzemenin pişme sıcaklığında daha düşük bir sıcaklıkta camlaşması suretiyle meydana gelen ve seramik malzemeye belirli yeni özellikler kazandıran bir tabakadır [2]. Bisküvi fırınından çıkan ürünler sır fırınına alınır. Sır fırınının ilk 14 metresinde fırının sağında ve solunda emiş bacaları yardımıyla iç kısımlardan emilen sıcak gaz sayesinde sır fırını giriş sıcaklığı 200-250 o C den başlamakta ve ilk ısı grubu olan 8. modüle kadar 700 o C ye çıkmaktadır. Sır fırını girişindeki emiş bölümünde, pişirilecek ürünlerin ön ısıtılması esnasında, ürün üzerinde bulunan yabancı maddelerin yanmasıyla oluşan gazlar, emiş bacaları vasıtasıyla dışarı atılır. Böylece fırının ileriki bölümlerinde meydana gelebilecek bir yanma sonucu oluşacak kül vb. etkenlerden ürünlerin zarar görmemesi sağlanır. Sır fırınında ön ısıtılma sonrası yaklaşık 700 o C de ısı gruplarına giren ürünlerin sıcaklıkları bu bölümden sonra kademeli bir şekilde 1380 o C ye kadar artırılır ve ürünler sırlanır. Aşağıda sır fırının teknik özellikleri verilmekte ve modülleri Şekil 2 de gösterilmektedir. Uzunluk Kullanılabilir genişlik Kullanılabilir yükseklik Araba uzunluğu Kullanılabilir araba uzunluğu Kullanılabilir araba genişliği : 90 m : 1,55 m : 0,5 m : 1,76 m : 1,65 m : 1,55 m
106 Ümran ERÇETİN Fırın içindeki araba sayısı : 55 adet Fırının çıkabileceği maks. sıcaklık : 1420 o C Kullanılan yakıt : LPG Brülör sayısı : 78 adet Isı grup sayısı : 10 adet Fırına bağlı elektrik yükü : 160 kw Fırına bağlı yakıt yükü : 4416 kw veya 3800000 kcal/h İşletme sıcaklığı : 1380 o C 1 araba yükü : 58,75 kg 1 kg ürün başına tüketilen enerji : 3700 kcal/kg Sır fırınında kullanılan brülörler : RGB 80, 520 m 3 /h hava, 20 m 3 /h gaz, 60 mbar Ürün giriş Ürün çıkış 1. modül...6. modül 7. modül 8. modül..26. modül 27...41.modül L=90 m Şekil 2. Sır fırının görünüşü. II.4. Hesaplama Yöntemi Bir levha, sıcaklığı kendi sıcaklığından farklı bir akışkan içinde bulunuyorsa ısı geçişinden dolayı levhaya dik doğrultuda sıcaklık basamağı oluşur. Bu sıcaklık basamağı; yoğunluk farkına, bu da doğal taşınıma neden olur. Doğal taşınım hareketi de zorlanmış taşınımdaki gibi laminer ve türbülanslı olabilir. Akışın karakteri, zorlanmış taşınımda Reynolds sayısı ile doğal taşınım da ise Grashof sayısı ile belirlenir. Grashof sayısı akışkandaki doğal kaldırma kuvvetinin viskoz kuvvetlere oranı olarak tanımlanır [3, 4].
Fırınların İlave Yalıtımla Enerji Tüketimlerinin Azaltılması 107 Gr L 3 gl Tβ = (1) 2 ν g : Yerçekimi ivmesi (m/s 2 ) L : Levhanın boyu (m) T : Levha yüzeyi ile akışkan ortam arasındaki sıcaklık farkı (K) β : Ortalama sıcaklıktaki hacimsel ısıl genleşme katsayısı (K -1 ) ν : Ortalama sıcaklıktaki kinematik viskozite (m 2 /s) Akışın karakterine göre Grashof sayısı aşağıdaki gibi sınıflandırılmaktadır. 8 Gr <10 Laminer doğal taşınım 10 < 10 8 9 < Gr Geçiş bölgesinde doğal taşınım 9 Gr >10 Türbülanslı doğal taşınım Bu sınıflandırmaya göre, incelenen modüllerin hesaplanan Grashof sayıları 2,12x10 9 ile 1,82x10 10 arasında değiştiğinden türbülanslı doğal taşınım grubuna girmektedir. Bir doğal taşınım sınır tabakasında geçiş bölgesi, akışkan içindeki kaldırma ve sürtünme kuvvetlerinin göreceli büyüklüğüne bağlıdır. Bu Rayleigh sayısı ile ifade edilir [3, 4]. ( T T ) 3 gβ s L Ra = Gr Pr = (2) να Pr : Ortalama sıcaklıktaki Prandtl sayısı α : Isı yayılma katsayısı (m 2 /s) T s : Yüzey sıcaklığı (K) T : Ortam sıcaklığı (300 K) 4.10 < 6.10 8 10 < Ra Geçiş bölgesinde doğal taşınım
108 Ümran ERÇETİN Düşey levhada doğal ısı taşınımı için yapılan deneylerde, sabit yüzey sıcaklığında, 9 Ra 10 1 12 durumunda 3 numaralı denklem, 10 < Ra < 10 aralığı için ise denklem (4) ile gösterilen ortalama Nusselt sayılarının çok az bir hata ile doğru sonuçlar verdiği Churchill ve Chu tarafından belirlenmiştir [3,4]. 1 4 0.670Ra Nu = 0.68 + (3) 9 16 4 9 0.492 1 + Pr 2 1 6 0.387Ra Nu = 0.825 + 9 16 8 27 (4) 0.492 1 + Pr Ortalama ısı taşınım katsayısı h (W/m 2 K) denklem (5) ile verilmektedir. h = Nu. k L (5) burada, k ısı iletim katsayısıdır (W/mK). Fırınların her bir modülünün farklı noktalarından ölçülen yüzey sıcaklıklarının ortalama bir değeri belirlenerek, Çizelge 1 ve 2 de T s olarak gürülen, modül sıcaklığı olarak atanan bu yüzey sıcaklığı değerine ve 27 o C ortam sıcaklığına göre yukarıdaki işlemler yapılıp, herbir modül için hesaplanan ortalama ısı taşınım katsayısı değerleri, Çizelge 1 de bisküvi fırını ve Çizelge 2 de ise sır fırını için verilmiştir. Bu taşınım katsayılarını (6) numaralı denklemde yerine koyularak her modülden kaybedilen enerji miktarları hesaplanmış, ve Çizelge 1 ve Çizelge 2 de gösterilmiştir. ( ) Q = ha Ts T (6) A : Modülün ısı geçişine dik yüzey alanı (m 2 ) Q : Modülden kaybedilen ısı miktarı (W)
Fırınların İlave Yalıtımla Enerji Tüketimlerinin Azaltılması 109 Daha sonra mevcut yalıtıma, 3 cm lik cam yünü ve bunun üzerine 0,7 mm lik sacın ilavesi halinde kaybedilecek enerji miktarları, yalıtım sonrası sabit taşınım katsayısı ve 22 o C ortam sıcaklığı kabulü yapılarak yeniden hesaplanmış ve Çizelge 1 ile Çizelge 2 nin en son sütununda belirtilmiştir. Çizelge 1. Bisküvi fırınının mevcut haldeki ve ilave yalıtımlı durumdaki ısı kayıpları. Modül Ts ( ) o C h( W m K ) 2 Q ilk ( W ) ( W ) Q son 4 35 2,92 148 76 5 37 3,15 197 88 6 38 3,25 223 93 7 41 3,50 301 110 8 42 3,55 320 114 9 45 3,77 408 131 10 45 3,78 411 132 11 51 4,15 606 168 12 53 4,26 682 181 13 55 4,35 746 192 14 62 4,63 980 231 15 63 4,69 1035 240 16 68 4,86 1212 268 17 73 5,03 1410 298 18 75 5,09 1488 309 19 75 5,07 1468 306 20 73 5,01 1390 295 21 73 5,00 1382 294 22 73 5,00 1378 293 23 72 4,98 1356 290 24 61 4,60 948 226 25 61 4,61 960 228 26 60 4,55 901 218 27 56 4,41 788 200 28 54 4,29 701 185 29 56 4,40 784 199 30 56 4,39 777 198 31 51 4,15 609 169 32 49 4,02 533 155 33 47 3,89 465 142 34 45 3,80 421 134 35 42 3,55 317 113 36 38 3,22 217 92 Isı kayıpları toplamı 25562 6367
110 Ümran ERÇETİN Çizelge 2. Sır fırınının mevcut haldeki ve ilave yalıtımlı durumdaki ısı kayıpları. Modül Ts ( ) o C h( W m K ) 2 Q ilk ( W ) ( W ) Q son 1 32 3,29 80 58 2 33 3,38 102 64 3 34 3,49 128 71 4 37 3,68 186 85 5 38 3,77 220 93 6 41 3,95 292 108 7 52 4,52 628 172 8 63 4,93 1008 236 9 60 4,86 926 222 10 65 5,00 1080 247 11 71 5,20 1329 286 12 72 5,23 1371 292 13 71 5,20 1326 285 14 71 5,20 1328 285 15 71 5,20 1328 285 16 70 5,17 1293 280 17 62 4,90 973 230 18 61 4,87 944 225 19 81 5,44 1694 340 20 89 5,64 2050 390 21 90 5,65 2076 394 22 93 5,72 2210 412 23 91 5,69 2136 402 24 97 5,79 2352 432 25 90 5,65 2064 392 26 89 5,63 2027 387 27 67 5,08 1356 290 28 72 5,21 1167 261 29 56 4,69 1056 243 30 62 4,90 968 229 31 61 4,86 934 224 32 58 4,78 855 211 33 56 4,68 758 194 34 46 4,25 448 139 35 43 4,07 351 120 36 48 4,33 497 148 37 43 4,10 363 123 38 42 4,04 333 117 39 39 3,81 235 96 40 37 3,69 191 86 41 33 3,39 104 65 Isı kayıpları toplamı 40773 9219
Fırınların İlave Yalıtımla Enerji Tüketimlerinin Azaltılması 111 III. SONUÇLAR ve YORUMLAR Yapılan hesaplamalar fırın yüzeylerine ilave yalıtım yapılarak mevcut durumdaki ısı kayıplarının, bisküvi fırınında 19195 W, sır fırınında ise 31554 W kadar azaltılabileceğini göstermiştir. Fırın yüzeylerinden kaybolan bu ısı enerjisinin doğrudan geri kazanımının mümkün olmadığı bilinmektedir. Ancak ilave yalıtım yapılırsa, LPG ile çalışan bisküvi ve sır fırınları içindeki ısının dış ortama geçişi biraz daha engellenerek, fırının gerekli sıcaklığa ulaşması için yakılacak yakıtın miktarında bir düşüş sağlanacaktır. Bu da iki fırın için saatte 4 kg LPG tasarrufu sağlar. Fırın kapasitesi dikkate alındığında elde edilecek tasarruf miktarı her iki fırın için yaklaşık % 0.7 dir. İlave yalıtım ile porselen fabrikasının yakıta ödediği miktar ve üretim maliyetleri az da olsa azalacak, en önemlisi yalıtım sayesinde fırının içinden ortama doğru olan ısı kaybı da azalacağından ortam sıcaklığı düşecek, böylece işçiler konfor şartına yakın bir sıcaklıkta ve daha verimli çalışacaklardır. IV. KAYNAKLAR [1] Elektrik İşleri Etüt İdaresi, Sanayide Enerji Yönetimi Esasları, Cilt I,II,III,IV, 1997. [2] http://www.teknolojikarastirmalar.com/e-egitim/yapi_malzemesi/icerik/seramik.htm [3] F. Halıcı, M. Gündüz, Örneklerle Isı Geçişi, Nil Matbaacılık, 1998. [4] D. Incropera and D.P. Dewitt, Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, Literatür Yayıncılık, 2001. [5] Ü. Erçetin, Bir Porselen Fabrikasında Kullanılan Fırınların Isıl Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Osmangazi Üniv. Fen Bil. Enst., 2000.